冰微裂纹的开裂与扩展

冰微裂纹的开裂与扩展

1实验结果与分析冰是自然界的一种特殊材料。由于在自然状态下接近于它的融点温度,故也称为相对高温材料,在加载速率较低时,它具有金属在高温时的非线性流变行为,并呈韧性破坏。又因为冰不具备完整的滑移系,抵抗开裂的能力很低,在加载速率较快时表现出脆性破坏的力学行为。冰在韧脆转变处的强度最高。冰的韧脆转变行为有明确的工程背景,冰韧脆转变点处强度为冰荷载的设计参数,在研究冰激结构振动时认为冰速超过韧脆转变点时可能导致结构出现负阻尼现象(Matlocketal.,1971)。在以往的冰力学实验研究中,比较重视宏观冰力学实验结果。虽然有人注意到冰在加载过程存在内部裂纹现象,并进行过观察与测量,但没有做相应的理论分析。近几年来,细观力学迅速发展促进了冰力学研究者开始向细观乃至微观层次的冰力学研究。与此同时,精确的冰荷载模型也需要对冰的变形与破坏机理作更深入的研究。不少学者已经认识到冰内部微裂纹的演变规律是导致冰从韧性破坏到脆性破坏的重要因素。冰的特殊行为也吸引了一些材料学科和固体力学研究者的兴趣;与冰力学研究者合作提出了各种冰裂纹的假设与理论描述冰微裂纹开裂与扩展的机理(Shulsonetal.,1991;Shyametal.,1990)。但是,在细层次观察裂纹的实验过程遇到了许多麻烦。实验表明冰裂纹开裂非常活跃,影响开裂的因素很多。天然冰由于杂质、孔隙含量及冰晶结构随机性,造成实验数据的离散性很大,不得不用人造冰制作试样;由于裂纹的开裂应力较低,微小的应力集中,导致局部开裂,要求较高的试样加工精度;冰微裂纹对温度、加载速率等都非常敏感,要严格地控制温度与加载速率,而能满足这样实验要求的研究机构很少。所以,到目前为止有说服力的实验结果很少,对冰裂纹的开裂与扩展的机理尚没有统一的观点。实验方法仍是研究的主要内容。笔者在进行海冰物理力学性能实验中已发现冰在韧脆转变过程微裂纹的活动,并试图进行观测与分析,但由于当时的实验条件所限没有得出定量的观察分析结果。在得到中国科学院兰州冰川冻土研究所冻土工程国家重点实验室资助后继续进行冰微裂纹的观测工作,虽然初步的研究也遇到很多困难,但观察到了一些有价值的实验现象,并为进一步的实验观察积累了宝贵的经验。2冰裂纹观测方法Gold(1960,1970)最早注意到冰内部裂纹,并利用人造粒状冰进行了大量实验观察,得出了许多有关裂纹特征的描述,如微裂纹发生只涉及一两个冰晶;统计表明30%裂纹为晶界裂纹,59%为穿晶裂纹,11%为混合裂纹;裂纹产生的速度与应力、应变、和温度等因素非常敏感等。早期的实验观察只注意裂纹活动的现象,未配合相应的理论研究,故未引起很大的重视。Cole(1986)的观察给出了裂纹尺寸与裂纹密度与冰晶尺寸的关系。再后来的实验进展则比较缓慢,原因在于定量观察冰微裂纹实验条件比较苛刻,难于得到预想的实验规律。最早进行冰裂纹观测方法是通过切片测量,这种方法的优点是可以准确地观察到裂纹的位置和大小,并能同时测量冰晶尺寸的大小。Nixonetal.(1992)做了-5℃下,10-5s-1应变速率下的裂纹观测工作。但是,切片法必须中途卸载,无法观测一根试样开裂与扩展过程,测量过程裂纹愈合影响测量精度。后来,声发射被利用于观测裂纹活动,由于冰在裂纹过程能发出清脆的声音,容易被声发射探测到,可以比利用切片方法更早地观测到裂纹活动,可以观察到裂纹活动的整个声能信号变化。但是,到目前为止,由于仍未找到定量分析声能与裂纹之间的定量关系、无法确定裂纹的位置、裂纹与冰晶结构的关系,后来的许多研究者又重新回到切片观测。3晶体结构方向对冰型材料的影响大多数冰微裂纹观测是利用人造粒状冰,Cole(1979)介绍了纯净粒状冰的制作工艺。粒状冰的结构是各向同性,可以不用考虑冰晶结构方向的影响。自然界的冰由于在结晶过程受到温度梯度的影响大多为柱状冰,如海冰、河冰、湖冰,是宏观各向异性材料。由于自然冰无法控制结晶过程,材料随机性很大,造成结果分析的困难。所以,观察纯净的柱状冰裂纹规律更接近自然状态的冰的结构形式。本文在冻土工程国家重点实验室进行了纯净柱状冰制作、试样加工、加载实验等准备工作。3.1蒸发、脱气、测温及温度检测制作纯净柱状冰的主要工艺包括:蒸馏、脱气、控温和引晶等过程。(1)蒸馏:自来水中有大量的矿物质或离子,结晶后能形成缺陷,成为裂纹源,蒸馏后的水纯度高,杂质大大减少。(2)抽气:自来水中有大量的气体,结晶后以气泡的形式形成裂纹源。利用真空泵对蒸馏水脱气,大约抽气6h后,水中的气泡减少(实际上,水中尚有少量的气体)。(3)控温:将蒸馏、脱气的水从底部注入一矩形制冰槽,以减少气体的进入,然后放入可以控制温度方向的模拟装置,控制顶部的温度低于侧向温度。(4)引晶:当水温达到零度时进行引晶,利用蒸发结霜撒到刚刚过冷的水面,然后继续降温。(5)测温:在整个结晶过程进行温度监测,观察控温和冰的生长速度。当冰厚度为20cm时将制冰槽从低温模拟槽中取出。3.2冰或粗晶界观察经过切片测量表明c轴垂直于热流方向分布,密度测量结果接近0.90g/cm3。由于采用蒸馏水制作,孔隙很少,冰样非常纯净,可以很清楚观察内部晶界。图1为人造柱状冰的c轴测量结果,可见c轴方向垂直于热流方向均匀分布,属于S2冰,冰晶尺寸大约为2～3mm。3.3表面线裂率测量目前,在进行冰压缩实验时通常有圆柱体或长方体两种试件形式,圆柱体可以采用机械加工,试样的精度容易保证。但是,长方体试样在实验过程观察裂纹比较清晰,所以,本文采用长方体试样,试样截面为100×100mm2,高度为250mm。这样可以保证在截面内有足够的冰晶。试样的加载方向垂直于柱的方向(图2)。由于冰内部裂纹开裂应力很低,试样加工的精度要求非常严格。如果端部不平,引起微小的局部应力集中,无法得到定量的规律。但是,本次实验由于不得不采用手锯加工试样,而且没有找到熟练加工技术人员,故试样加工环节不十分理想。3.4测试和测量温度计划在MTS实验机上进行试样应变速率控制加载实验,由于试样制备环节并不理想,改为在国产电子万能实验机上进行,同时进行了试样应变和名义应变的测量。温度控制在-5±0.2℃。在加载速率3.8×10-5/s～7.6×10-4/s之间共进行了10根试样的加载实验。4试样的破坏形式由于纯净冰有很好的透明性,可以在加载过程直接观察内部的裂纹活动。在本实验观察中得出如下结论与分析:(1)微裂纹的开裂位置。绝大部分裂纹发生在晶界,这与粒状冰的观察结果有很大区别。分析原因可能是采用的无孔隙与杂质的纯净冰,冰晶内部的缺陷少,使晶界成为薄弱环节。另一个原因是本实验采用的是柱状冰,晶界的排列比较有序。(2)裂纹稳态开裂。当加载速率较低时,形成稳定的微裂纹,微裂纹不再继续扩展,而形成新的微裂纹,裂纹的个数不断增多,而导致试样韧性的破坏(图3)。(3)裂纹的失稳开裂。当加载速率加快时,新产生的裂纹迅速开裂,或称失稳开裂(图4)。(4)裂纹的开裂方向。在裂纹失稳开裂时,裂纹的开裂方向与截面法向平行,这与大部分学者在进行粒状冰实验的观察结果相同。但是本文的实验在稳态开裂形成的主裂纹也呈与截面法向平行,而在粒状冰中主裂纹与截面法线大约成45°。柱状冰的实验结果也许是冰晶排列造成,或者是试样加工不平引起,有待进一步实验观察。(5)韧脆转变区。当应变速率控制在7.6×10-5/s～7.6×10-4/s之间时,试样的破坏形式为脆性破坏;而当应变速率控制在3.8×10-5/s时,试样为塑性破坏。由此可见,本试验得到的韧脆转变区在3.8×10-5/s～7.6×10-5/s之间。5实验环节有待进一步完善本文利用开放实验室的设备和自制的装置,制作了纯净的柱状冰和长方体试样进行了单轴压缩实验,观察了韧脆转变过渡区柱状冰微裂纹的开裂与扩展行为。由于观察冰裂纹在国内属于尝试性的研究工作,有许多实验环节有待进一步完善,这些工作包括:(1)试样的加工条件:前面已经强调,冰微裂纹的开裂非常活跃,试样的加工精度对